King’s College London sai käyttöön Googlen Willow-kvanttisirun

King’s College Londonin tutkijat ovat ensimmäinen brittiläinen akateeminen tutkimusryhmä, joka on saanut käyttöoikeuden Googlen huippuluokan Willow-kvanttitietokonesiruun. Pääsy sirulle toteutuu yhteistyöohjelmassa, jonka Google Quantum AI ja Ison-Britannian kansallinen kvanttilaboratorio National Quantum Computing Centre (NQCC) käynnistivät viime vuonna.

Mitä kvanttitietokone tekee toisin kuin perinteinen supertietokone?

Kvanttitietokoneet hyödyntävät kvanttimekaniikan lakeja, joiden mukaan hiukkaset voivat olla useassa tilassa samanaikaisesti ja kietoutua toisiinsa. Tämän ansiosta ne voivat teoriassa ratkaista ongelmia, joihin tehokkaimmatkaan perinteiset supertietokoneet eivät kykene tai jotka veisivät niiltä käytännössä äärettömän kauan.

Googlen mukaan Willow-siru pystyy ratkaisemaan erään teoreettisen ongelman noin viidessä minuutissa – laskelman, jonka nykyiset maailman nopeimmat supertietokoneet tarvitsisivat suorittaakseen arviolta 10 septiljoonaa vuotta (10 000 000 000 000 000 000 000 000 vuotta). Tämä havainnollistaa niin sanottua kvanttietua, jossa kvanttitietokone suoriutuu tehtävästä ylivoimaisesti nopeammin kuin mikään klassinen järjestelmä.

Tutkimus tähtää luonnon perusprosessien ymmärtämiseen

Hankkeen vetäjä, King’s College Londonin tohtori Eleanor Crane, kuvaa Willow-sirun käyttöä ”soihdun sytyttämiseksi” tutkimukselle, joka pyrkii vastaamaan kysymyksiin luonnon tärkeimmistä perusprosesseista. Crane johtaa tutkimusryhmää yhdessä ENS Paris -oppilaitoksesta tulevan tohtori Alexander Schuckertin kanssa.

Crane korostaa, että yhteiskunnalle olisi valtavan hyödyllistä ymmärtää paremmin esimerkiksi sitä, miten kasvit muuttavat auringonvalon kemialliseksi energiaksi fotosynteesissä, miten löytää materiaaleja, jotka kuljettavat sähköä erittäin nopeasti, tai miten molekyylit sitoutuvat toisiinsa monimutkaisissa biologisissa reaktioissa.

Nämä luonnonprosessit perustuvat lukuisten perushiukkasten vuorovaikutuksiin – niihin rakennuspalikoihin, joista elämä koostuu. Nykyiset tietokoneet, jopa supertietokoneet, törmäävät nopeasti laskennalliseen seinään, kun tällaisten järjestelmien tilat ja vuorovaikutukset räjähtävät kombinaatiomäärältään käsittämättömän suuriksi.

Tavoitteena tehokkaampi energia, paremmat materiaalit ja uudet lääkkeet

Crane muistuttaa, että jos tutkijat oppivat mallintamaan näitä prosesseja kvanttitietokoneilla, seuraukset voivat olla yhteiskunnalle mullistavia. Parempi ymmärrys voisi auttaa suunnittelemaan merkittävästi tehokkaampia aurinkokennoja, optimoimaan energian siirtoa ja varastointia sekä kehittämään sähköverkkoja, joissa häviöt jäävät mahdollisimman pieniksi.

Samalla kvanttitason mallinnus voisi nopeuttaa ja tarkentaa lääkeaineiden etsintää. Kun lääkekandidaattien vuorovaikutukset biologisten molekyylien kanssa voidaan laskea aiempaa tarkemmin, olisi mahdollista löytää uusia hoitoja myös sellaisiin sairauksiin, joita on tähän asti pidetty lähes hoitamattomina.

Willow-siru ja kvanttilaskennan ”läpimurrot”

Kvanttimekaniikka – fysiikan haara, joka selittää hiukkasten käyttäytymisen pienimmillä mittakaavoilla – on kvanttitietokoneiden toimintaperusta. Google kertoo Willow-sirun sisältävän useita keskeisiä teknisiä läpimurtoja ja ”raivaavan tietä” kohti käytännössä hyödyllistä, laajamittaista kvanttitietokonetta.

Crane huomauttaa, että kehitys ei ole rajoittunut yhteen maahan tai toimijaan. Iso-Britanniassa, Euroopassa, Yhdysvalloissa, Kiinassa ja monissa muissa maissa on viime vuosina nähty valtavia harppauksia kvanttiteknologioissa. Kvanttitietokoneita rakennetaan jo aktiivisesti, ja ne etenevät kovaa vauhtia kohti tehtäviä, joilla on todellista yhteiskunnallista arvoa.

King’s College hyödyntää Willow’ta luonnon järjestelmien mallinnuksessa

King’s Collegen tiimi käyttää Willow-sirua kehittääkseen menetelmiä, joiden avulla kvanttitietokone voi mallintaa luonnollisia järjestelmiä – kuten fotosynteesiä – ja vastata niihin liittyviin perustavanlaatuisiin kysymyksiin. Tavoitteena ei ole vain ratkaista yksittäisiä laskennallisia ongelmia, vaan rakentaa työkaluja, joilla luonnon monimutkaisuutta voidaan lähestyä systemaattisesti kvanttilaskennan avulla.

Google Quantum AI ja NQCC kutsuivat viime vuonna brittiläisiä tutkimusryhmiä jättämään ehdotuksia Willow’n hyödyntämisestä. NQCC:n johtaja tohtori Michael Cuthbert kertoo, että aloite kuvastaa Ison-Britannian sitoutumista maailmanluokan kvanttitutkimuksen tukemiseen. Google Quantumin operatiivinen johtaja Charina Chou kiitti King’s Collegen tutkijoita vakuuttavasta tutkimussuunnitelmasta, jonka ansiosta heidät valittiin ohjelmaan.

Kvanttialan kasvu ja yritysyhteistyö Isossa-Britanniassa

Ison-Britannian hallitus on luvannut noin 2 miljardin punnan panostuksen kvanttiteknologian tutkimukseen. Cuthbertin mukaan uudet teollisuuden ja tutkimuslaitosten väliset kumppanuudet osoittavat, että ala on vahvassa kasvussa. Esimerkiksi Cambridgen yliopisto ilmoitti hiljattain historian suurimmasta yritysyhteistyöstään amerikkalaisen kvanttiteknologiayhtiö IonQ:n kanssa. Yhteistyön puitteissa Cambridgen kampukselle on tarkoitus tuoda laite, josta tulee yliopiston mukaan Ison-Britannian tehokkain kvanttitietokone.

Nämä kehitysaskeleet täydentävät laajempaa kuvaa Ison-Britannian ja EU:n välisestä teknologia- ja talousyhteistyöstä. Esimerkiksi Ison-Britannian hahmottelema uusi tavaroiden yhteismarkkina EU:n kanssa vaikuttaa osaltaan siihen, millaisessa talousympäristössä kvanttiteknologiaa kaupallistetaan tulevina vuosina.

Korvaavatko kvanttitietokoneet perinteiset järjestelmät?

Kvanttitietokoneet eivät ole yleiskoneita, jotka syrjäyttäisivät kaikki nykyiset tietokoneet. On lukuisia tehtäviä – kuten arkinen toimisto- ja kuluttajalaskenta – joihin klassiset koneet soveltuvat paremmin ja joissa kvanttikoneista ei ole hyötyä. Sen sijaan kvanttilaskenta on erikoistyökalu ongelmiin, joissa kvanttimekaniikan luonteva mallinnus tai valtava rinnakkaislaskenta tarjoaa ylivoimaisen edun.

Jos kvanttitietokoneet lunastavat lupauksensa, ne voivat tuoda ratkaisuja muun muassa materiaalitutkimukseen, optimointiin, monimutkaisiin logistiikka- ja reititysongelmiin, finanssimarkkinoiden riskien mallintamiseen ja lääkeaineiden löytämiseen – alueille, joilla nykyiset menetelmät ovat usein hitaita, karkeita tai epävarmoja.

Kilpailu kiristyy: Google, IBM ja muut haastajat

Googlen Willow ei kehity tyhjiössä. Yhtiö kohtaa kovaa kilpailua muilta kvanttialan pioneereilta, kuten IBM:ltä, joka on tehnyt kvanttitutkimusta ja -laitteita jo pitkään. Myös useat startup-yritykset ja teknologiajätit eri puolilla maailmaa kehittävät omia kvanttiarkkitehtuurejaan – oli kyse sitten suprajohtavista kubiteista, ioniansoista tai fotonisista järjestelmistä.

Kaikkia näitä hankkeita yhdistää kuitenkin sama haaste: miten skaalata nykyiset pitkälti kokeelliset laitteet luotettaviksi, virheenkorjatuiksi ja laajamittaisiksi kvanttikoneiksi, joilla voidaan ratkaista taloudellisesti merkittäviä käytännön ongelmia. Tähän liittyy muun muassa kubittien määrän kasvattaminen, virheiden hallinta, koherenssiaikojen pidentäminen ja ohjelmistoekosysteemin kypsyminen.

Aikataulu: milloin kvanttilaskennasta tulee todella hyödyllistä?

Vaikka teknisiä esteitä on paljon, tohtori Crane on tulevaisuuden suhteen optimistinen. BBC:n Today-ohjelmassa antamassaan lisähaastattelussa hän arvioi, että jo vuoteen 2028–2030 mennessä kvanttitietokoneet voivat kyetä ratkaisemaan ”äärimmäisen hyödyllisiä” ongelmia. Tämä ei välttämättä tarkoita täysin virheenkorjattuja, miljoonia kubitteja sisältäviä järjestelmiä, vaan pikemminkin sitä, että rajallisetkin kvanttilaitteet voivat tuottaa selkeää lisäarvoa tietyillä, tarkoin valituilla sovellusalueilla.

Kvanttitietoturva: kaksiteräinen miekka

Kaikki kvanttilaskennan mahdolliset käyttökohteet eivät ole yksiselitteisesti myönteisiä. Yksi puhutuimmista riskeistä liittyy tietoturvaan: riittävän tehokkaat kvanttitietokoneet voivat murtaa nykyisin laajasti käytettyjä salausmenetelmiä, jotka suojaavat kaikkea verkkopankin kirjautumisista kryptovaluuttatransaktioihin ja yksityisiin viesteihin.

Tämän vuoksi useat teknologia- ja rahoitusalan yritykset ovat jo aloittaneet siirtymän niin sanottuihin post-kvanttisalausmenetelmiin. Niiden suunnittelussa on otettu huomioon kvanttitietokoneiden laskentakyky, ja tavoitteena on varmistaa, että kriittiset järjestelmät pysyvät turvassa myös kvanttiajan vakoilijoilta ja hakkereilta.

Willow-sirun kaltaiset hankkeet tuovat kvanttiajan hieman lähemmäs arkea – sekä mahdollisuuksien että haasteiden osalta. King’s College Londonin tutkimus voi osaltaan auttaa ymmärtämään paremmin, miten kvanttilaskennan voimavaroja kannattaa käyttää, kun siirrymme kohti teknologiaa, joka muuttaa tapaa, jolla mallinnamme luontoa, suunnittelemme lääkkeitä ja rakennamme energiajärjestelmiä.

Ei sisällä instagram post:eja